Universidad César Vallejo
Estudio y análisis de los métodos y parámetros para la
utilización de carbón antracita como combustible alternativo en
calderas de generación de vapor.
Universidad César Vallejo
Facultad de Ingeniería
_________________________________________Escuela de Ingeniería
Mecánica
PROYECTO DE TESIS
ESTUDIO Y ANÁLISIS DE LOS MÉTODOS Y PARÁMETROS PARA LA
UTILIZACIÓN DE CARBÓN ANTRACITA COMO COMBUSTIBLE ALTERNATIVO EN
CALDERAS DE GENERACIÓN DE VAPOR
Autores:
Augusto Carlos Palza Bernuy
Freddy Wilmer Guerra Casana
Docente Supervisor:Ing. Luis Julca Verástegui
Asesor:Ing. Rosario Paredes
Trujillo – Perú
Abril – Julio 2006
PROYECTO DE TESIS
I. GENERALIDADES
1. Título tentativo
Estudio y análisis de los métodos y parámetros para la
utilización de carbón antracita como combustible alternativo en
calderas de generación de vapor.
2. Autor(es)
Palza Bernuy Augusto Carlos
Guerra Casana, Wilmer Freddy
3. Asesor:
Ing. Raúl Paredes Rosario
4. Tipo de investigación
4.1. De acuerdo al tipo de investigación: Aplicada.
4.2. De acuerdo a la técnica de contrastación: Descriptiva.
5. Área de la investigación
Área de Energía
6. Lugar de Investigación
TRUPAL S.A. – Malca, Stgo. De Cao
7. Institución que investiga
Universidad César Vallejo (Trujillo – Perú)
Alumnos de escuela profesional de Ing. Mecánica IX ciclo
8. Duración del proyecto
3 Meses. (2 de mayo 2006 – 22 de julio 2006)
II. PLAN DE INVESTIGACION
1. El Problema
1.1. Realidad problemática
En el Mundo: De todos los combustibles fósiles, el carbón es por
mucho el más abundante en el mundo. Se ha estimado que a fines del
año 2005 existirá más de 1 billón (1x1012) de toneladas en reservas
totales accesibles de forma económica, y mediante las tecnologías
de explotación actualmente disponibles. De estas reservas
aproximadamente la mitad corresponden a carbón de alto rango o
carbón antracita.
No solamente existen grandes reservas, sino que también están
geográficamente esparcidas en más de 100 países en todos los
continentes. La abundancia de las reservas constituye una
disponibilidad de suministro durante mucho tiempo. A los niveles de
producción de 2005, las reservas de carbón son suficientes para los
próximos 250 años. La cifra anterior considera los recursos
carboníferos que pueden probarse durante las exploraciones en
curso, aquellos recursos que se vuelvan accesibles a medida que se
hagan mejoras en las tecnologías de explotación; o se vuelvan
comerciales por el incremento en el uso de carbones de bajo rango,
cuya utilización no es actualmente rentable.
Las relaciones actuales de reservas de carbón son
aproximadamente 4 veces las reservas de petróleo. La disponibilidad
de reservas abundantes y fácilmente accesibles también significa
disponibilidad de energía estable para países tanto importadores
como productores.
Del total de carbón producido en 1998, más de 500 MMton fueron
comercializadas internacionalmente. Se estima que el comercio
internacional del carbón bituminoso continuará creciendo por encima
de 560 MMton en al año 2000. La oferta de carbón térmico y
metalúrgico, por lo general mantienen la misma tendencia. En 1998
se comercializaron 510 millones de carbón de bituminoso, de las
cuales cerca de un 60% fue carbón térmico, y un 40% fue carbón
metalúrgico. El comercio de carbón térmico en los últimos 20 años
presenta un crecimiento del 7% anual.
Fuente: (Energy Information Administration, International Energy
Outlook 1998-2020, DOE/EIA)
El Perú alberga un considerable potencial de carbón cuyo
aprovechamiento ofrece interesantes y variadas oportunidades para
los inversionistas. Las mejores posibilidades presentan la
explotación e industrialización de la antracita de los Andes
Nor-occidentales. La costa Norte del Perú, próxima a los
yacimientos, se está industrializando y necesita el carbón como
materia prima y/o como fuente de energía. El potencial de las
antracitas en la Sierra Norte tiene el orden de cientos de millones
de toneladas. Una gran parte de la antracita tiene un alto poder
calorífico y puede utilizarse para fines especiales e inclusive
exportarse.
Dicho potencial se aprovecha de manera muy limitado. Según el
Ministerio de Energía y Minas el Perú produjo últimamente unas
31,000 TM/año de antracita no sobrepasando la extracción anual a
81,000 TM. Actualmente las explotaciones de antracita en el Perú
son muy pequeñas y primitivas, el transporte es muy caro, la
producción es heterogénea y el suministro inseguro. La mayor parte
de la antracita extraída se utiliza sin lavado como combustible
barato en las ladrilleras y sólo una pequeña fracción en las
industrias. No habiendo suministro adecuado no se ha desarrollado
el mercado para los carbones nacionales.
Fuente: Ministerio de Energía y Minas año 2005
El aumento progresivo del precio del petróleo y derivados en el
Perú, nos conlleva a la búsqueda de nuevos combustibles
alternativos, para su utilización en la industria nacional, según
la balanza comercial de petróleo y derivados es deficitaria desde
1988 cuando el Perú pasó de ser exportador neto de combustible a un
importador neto. La creciente demanda interna de combustible, unido
a la menor producción nacional de crudo, condujo a demandar cada
vez más combustible importado. Debido a ello, en el 2003 la balanza
de petróleo y derivados fue deficitaria en US$ 681 millones.
Las mayores cotizaciones del petróleo crudo en el mercado
internacional incidieron de manera importante en el mercado
nacional. Los precios internos de combustibles aumentaron, en
promedio, 11,2% durante el período enero–agosto de 2004. Esta alza
explica, en parte, que la inflación acumulada a agosto de 2004 haya
sido de 3,2% (la contribución del incremento de los precios locales
de los combustibles derivados del petróleo fue 0,54%).
Fuente: BCRP, memorias varias
1.2. Justificación:
Ante la realidad problemática, basada, en la utilización del
recurso natural como es el carbón antracita y el elevado costo
actual del petróleo y derivados; este proyecto de investigación
encontró una manera óptima de combinar estas dos necesidades que
genera el problema.
Estudiando las nuevas tecnologías para hacer posible la
participación del carbón antracita como combustible alternativo en
la generación de vapor y a su vez reducir el precio del mismo en la
industria nacional.
1.3. Formulación:
¿Cuáles son lo métodos y parámetros óptimos, para la operación
de calderas de generación de vapor usando como combustible
alternativo carbón antracita?
1.4. Limitaciones:
· Este proyecto se basará solamente en el uso del carbón
antracita como combustible alternativo, más no el impacto ambiental
que podría generar.
· Este proyecto se basará sólo en acondicionamiento de la
caldera para hacer posible el uso del carbón como combustible
alternativo, y no con sistema dual.
· Este proyecto, se llevará a cabo, totalmente en el aspecto
bibliográfico.
2.Objetivos
2.1. General:
Encontrar los métodos y parámetros óptimos de utilización del
carbón antracita como combustible alternativos en calderas de
generación de vapor
2.2. Específicos:
- Demostrar tecnológicamente que el uso del carbón como
combustible alternativo en calderas de generación de vapor es
competitivo con otros combustibles convencionales.
- Dar a conocer la importancia del carbón antracita en la
participación de la industria mundial.
- Elaborar, el diagrama de flujo de la instalación, con
indicación de flujos y condiciones de operación.
- Elaborar la tabla de flujo de componentes y flujos
totales.
- Encontrar los nuevos parámetros de los circuitos de
combustible / cenizas; aire / gases y agua / vapor.
- Encontrar los coeficientes de exceso de aire.
- Encontrar las emisiones de cenizas y carbono inquemado en la
combustión.
- Dimensionar el hogar de la caldera con carbón antracita como
combustible alternativo.
- Dar a conocer los sistemas de inyección de carbón en
calderas
- Realizar los cálculos justificativos.
- Realizar un análisis económico del proyecto.
- Elaborar un programa, para obtención de nuevos parámetros de
una caldera, cambiando el combustible.
2.3 Marco Referencial
2.3.1 Antecedentes:
· Evaluación del Uso de Carbón como Combustible en la Central
Termoeléctrica “Comandantes Luis Piedrabuena”
Autores: Ing. Braulio R. Laurencena e Ing. Aloma Sartor.
Grupo de estudio de Ingeniería Ambiental, UTN
Abril 2001 – Bahía Blanca, Argentina
· Uso de carbón como combustible alternativo, en los hornos de
Cementos Pacasmayo S.A.A
Dpto. Investigación y desarrollo
Agosto 1998 – Pacasmayo, La Libertad
· Caracterización del sistema de molienda de carbón pulverizado
de una central térmica mediante simulación CFD
Autores: A. Gil, I. Iranzo, E. Domingo, I. Arauzo
Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº
28, Nº 162, 2002, pags. 76-82
· Aplicación de códigos CFD a la simulación del funcionamiento
de una caldera de carbón pulverizado de 350MW
Autores: A. Gil, I. Iranzo, C. Cortés, E. Domingo
Ingeniería energética y medioambiental, ISSN 0210-2056, Año nº
27, Nº 160, 2001, pags. 57-65
2.3.2 Análisis del problema, estado inicial, estado final o de
salida
2.3.3 Marco Teórico
I. GENERALIDADES DEL CARBÓN
1. ¿QUÉ ES EL CARBÓN?
El carbón es un mineral de origen orgánico constituido
básicamente por carbono. Su formación es el resultado de la
condensación gradual de la materia de plantas parcialmente
descompuestas a lo largo de millones de años.
2. TIPOS DE CARBÓN
Las plantas al descomponerse forman una capa llamada Turba, una
ves compuesta esta capa, se inicia la formación del carbón.
TIPO DE CARBÓN
DESCRIPCIÓN
Lignito
Se forma una vez comprimida la turba. Es el de menor valor
calorífico porque se formó en épocas mas recientes y contiene menos
carbono y más agua.
Es una sustancia parda y desmenuzable en la que se pueden
reconocer algunas estructuras vegetales.
Concentración carbono: 30%
Hulla
Se origina por la compresión del lignito. Tiene un importante
poder calorífico por lo que se utiliza en las plantas de producción
de energía. Es dura y quebradiza, de color negro
Concentración de carbono: entre 75 y 80 %
Antracita
Procede de la transformación de la hulla. Es el mejor de los
carbones muy poco contaminante y de alto poder calorífico. Arde con
dificultad pero desprende mucho calor y poco humo. Es negro
brillante y muy duro.
Concentración de carbono: hasta un 90%
3. CARBÓN ANTRACITA
Es el carbón de mejor calidad, procede de la transformación de
la hulla. Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de
carbono industrial. Aunque se inflama con más diferencia que otros
carbones, libera una gran cantidad de energía al quemarse y
desprende poco humo y hollín.
Se formó hace unos 250 millones de años, durante los períodos
Carbonífero y pérmico, en la era Primaria.
3.1 PROPIEDADES DEL CARBÓN ANTRACITA
Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el
menor en materia volátil de los tres tipos mencionados. Contiene
aproximadamente un 87,1 % de carbono, un 9,3 % de cenizas y un 3,6
% de material volátil. Tiene un color negro brillante de estructura
cristalina, Su poder calorífico tiene un valor aproximado de 8.300
Kcal/Kg.
II. CALDERAS
Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace
hervir agua para producir vapor. El calor necesario para calentar y
vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases
calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial
(horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila
atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica.
Cuando el calor es suministrado por en líquido caliente o por vapor
que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como
vaporizador y transformador de vapor. El sinónimo generador de
vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una
cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada
a otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de
agua, economizadores) o el aire de combustión (precalentador de
aire), y otros recalientan el vapor (recalentadores), suele
denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en
que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz
vaporizador.
Los aparatos que quitan su vapor al fluido refrigerador de un
reactor nuclear (pila atómica), si bien constituyen verdaderos
evaporadores o calderas en sentido amplio de la palabra, se
denominan normalmente intercambiadores. Durante su funcionamiento,
la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la
presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura
alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el agua o
el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador,
recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la
temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la
ebullición.
La forma de las calderas de vapor ha evolucionado
considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso si
nos limitamos a considerar las calderas calentadas por hogares. Las
primeras calderas consistían esencialmente en recipientes cerrados,
cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la
irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes. Para
obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron
más adelante calderas con hervidores, situados debajo del cuerpo
cilíndrico principal y conectados a éste mediante conductos
tubulares. En este sentido ha constituido una nueva etapa la
aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo principal está
atravesado por un haz tubular.
Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha
consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando
constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa
está enteramente bañada por el agua.
2.1 TIPOS DE CALDERAS
2.1.1 ACUATUBULARES
Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos)
eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones
industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales
una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de
principios de siglo.
En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se
emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están
inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la
parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por
la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar
combustible sólido.
La producción del vapor de agua depende de la correspondencia
que exista entre dos de las características fundamentales del
estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.
A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede
vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la
presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a
cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se
aumente convenientemente su temperatura.
VENTAJAS:
· La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar
a altas presiones dependiendo del diseño hasta 24.6 (Kg./cm2)
· Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500 (Kw.).
· Por su fabricación de tubos de agua es una caldera
"INEXPLOSIBLE".
· La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de
tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de
la capacidad.
· El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de
trabajo no excede los 20 minutos.
· Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los
requerimientos de normas.
· Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su
operación automática.
· Son utilizados quemadores ecológicos para combustión, gas y
diesel.
· Sistemas de modulación automática para control de admisión
aire-combustible a presión.
· El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor
seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un
mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de
tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual
actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante,
aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
2.1.2 PIRUTUBULARES
La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para
aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes
características.
El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de
disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete
multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de
formación y acumulación de vapor.
La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal
dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde
termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.
El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas
atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de
entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En
cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de
hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con
tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa
posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de
lodos.
El conjunto completo con sus accesorios, se asienta sobre un
soporte deslizante en una bancada sólida de firme construcción,
suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en
funcionamiento tras realizar las conexiones e instalación.
2.2 CALDERAS DE VAPOR
Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones
industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido,
líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la
industria.
Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir
ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una
pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover
la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho
tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al
calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de
vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya
que era un industrial inglés muy conocido.
La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin
en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas
de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la
revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en
el nuestro.
Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido
usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido
perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus
desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia
directa) el mayor peso por Kw de potencia, necesidad de un mayor
espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a
alta temperatura.
Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido
calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto
de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular
con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito.
El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el
interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
tubos.
Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico,
Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y
obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 (libras-pie/seg),
valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.
Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades,
daba algo más de 76 (Kg.xm/seg). Pero, la Oficina Internacional de
Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más
fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a
Watt.
2.2.1 PROCESO DE VAPORIZACIÓN
El vapor o el agua caliente se producen mediante la
transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el
interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y su
temperatura.
Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que
el recipiente contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de
forma tal que se logren los limites de diseño deseado, con un
factor de seguridad razonable.
Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la
calefacción domestica, la presión máxima de operación es de 1.06
(kg/m2). En el caso del agua caliente, esta es igual a 232 oC.
Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y
temperaturas, con base en la aplicación dentro del ciclo del calor
para la cual se diseña la unidad.
2.3 IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE
Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico
(cantidad de (kilocalorías / kilogramo) que suministran al
quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias
volátiles y de cenizas.
Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones
prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar
el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas.
El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes
elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos
se pueden clasificar en dos
grandes categorías.
Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el
comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre,
etc.
Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que
pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua,
nitrógeno, cenizas, etc.
El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el
de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para
ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones
más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno
por unidad de peso del combustible para que se realice la
combustión completa.
Además de la exactitud correcta de la mezcla “aire-combustible”,
se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea íntima para
que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar
debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de
estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla
directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo
de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos
formados.
2.4 TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA
Se denomina aire mínimo o teórico para la combustión a la
cantidad estequiométrica de este, necesaria para una combustión
completa
Se considera que un combustible (sólido o líquido) está formado
por carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en
tanto por uno en peso.
PC Kg. de carbono / Kg. de combustible
PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de combustible
PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de combustible
PS Kg. de azufre / Kg. de combustible
de tal forma que se verifique:
EMBED Equation.2
Teniendo en cuenta que las reacciones químicas de la combustión
completa son:
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
EMBED Equation.2
y teniendo en cuenta los pesos moleculares correspondientes, se
tiene que para quemar Pc Kg. de carbono, se necesita:
12
32
PC kg de oxígeno = 2,67 Pc kg de O2
De la misma forma, para quemar los PH2 Kg. de hidrógeno, se
necesita:
2
16
PH2 kg de oxígeno = 8 PH2 kg de O2
y para la combustión completa de los Ps Kg. de azufre se
necesitarán:
32
32
PS kg de oxígeno = PS kg de O2
Ahora bien, como el combustible contiene ya PO2 Kg. de oxígeno,
el oxígeno mínimo que hay que aportar para producir la combustión
completa de 1 Kg. de combustible será:
Om = 2,67 PC + 8 PH2 + PS - PO2 kg de oxígeno.(1)
Como la composición media, en peso, del aire es aproximadamente
de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, el aire mínimo expresado en
kilogramos será:
0,21
P
-
P
+
P
8
+
P
2,67
0,21
O
A
O2
S
H2
C
m
m
=
=
La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener
energía, y es obvio que para una mejor rentabilidad es preciso
recuperar, del modo más posible, la energía química contenida en
potencia en el combustible. Esta energía química va a liberarse
bajo la forma de calor en las reacciones de la combustión. Este
calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y
recalentarlo. La diferencia entre la energía en potencia, contenida
en el combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye
la energía perdida (calorías perdidas). El rendimiento de la
combustión es, pues, función de estas pérdidas. Las causas de estas
pérdidas son numerosas.
2.5 TIPOS DE COMBUSTIBLES PARA CALDERAS
TIPO
NATURAL
MANUFACTURADO
SÓLIDO
Antracita
Hulla
Lignito
Turba
Coque
Carbón de leña
Briquetas
LÍQUIDO
Petróleo
Alquitrán
Destilado de petróleo
Residuos de petróleo
Alcoholes
Combustible coloidales
GASEOSO
Gas Natural
Gas de agua
Gas de aceite
Gas de alto horno
Gas de gasógeno
Acetileno
2.6 CAPACIDAD CALORÍFICA
La combustión es el conjunto de combinaciones químicas que se
producen en ciertas condiciones, desprendiendo calor, cuando se
pone en contacto un combustible y un carburante.
2.7 COMPONENTES DE UNA CALDERA DE VAPOR
1) El hogar con su parrilla, cámara de combustión, cenicero, y
altar.
2) La caldera propiamente dicha, compuesta de un cuerpo
cilíndrico de chapa de acero herméticamente sellado y expuesto a la
acción de las llamas y de los gases calientes.
3) El conducto de humos, que conduce a los productos de la
combustión desde el hogar hasta la base de la chimenea.
2.8 TRANSFORMACION DE LA ENERGIA EN UNA CALDERA
2.8.1 CIRCUITO COMBUSTIBLE – CENIZA
Formado por la combustión del combustible en el hogar de la
caldera, en el cual la energía química es transferida algas bajo
forma de calor, mientras que los cuerpos incombustibles quedan bajo
forma de ceniza, en función de las condiciones específicas, los
residuos sólidos de la combustión son retornados al sitio de
alimentación con combustible, son depositados correspondientemente
o, luego de una operación de preparación, se le da una utilización
cualquiera en construcción.
2.8.2 CIRCUITO AIRE – GASES
Consta del aire tomado de la atmósfera para la combustión y los
gases resultados de combustión, los cuales después que recorren las
superficies de calentamiento de la caldera, son evacuados a la
atmósfera; el volumen de aire – gases crece por la absorción de
calor, para que, por enfriamiento, se reduzcan de nuevo.
2.8.3 CIRCUITO AGUA – VAPOR
Está compuesto por el precalentamiento, la vaporización del agua
y el sobrecalentamiento del vapor debido al calor transmitido, por
las superficies de calentamiento de los componentes de la caldera,
por los gases de combustión.
2.8.4 SUPERFICIES DE CALEFACCION EN LA CALDERA
Reciben el nombre de superficies de calefacción de una caldera
todas aquellas partes de la misma que se encuentran de un lado en
contacto con el agua y por el otro lado reciben calor. La
superficie de calefacción se mide del lado que recibe calor y se
expresa en m2. La superficie de calefacción consta de:
a) Superficie de calefacción directa. Es la que por un lado esta
en contacto con el agua y por el otro recibe calor directamente de
las llamas.
b) Superficie de calefacción indirecta. Es la que por un lado
esta en contacto con el agua y por el otro recibe calor que le
entregan los gases de combustión.
c) Superficies de calefacción final. Es igual a la suma de las
dos anteriores
2.8.5 CAPACIDAD DE PRODUCCION HORARIA DE VAPOR
Es la cantidad, en kg de vapor que produce una caldera por hora.
Como la cantidad de vapor que puede producir una caldera, quemando
la misma cantidad horaria de combustible, depende de la presión de
vapor y de la temperatura con que se introduce el agua en la misma,
al expresar la producción horaria de vapor de una caldera de una
caldera deberán mencionarse estos últimos datos.
2.8.6 PRODUCCION ESPECÍFICA DE VAPOR O VAPORIZACION
Son los kg, de vapor que produce, la caldera por hora y por m2
de superficie de calefacción.
2.8.7 SUPERFICIE DE VAPORIZACION
Es la superficie que separa, en cualquier instante, el espacio
ocupado por el agua del que ocupa el vapor. Podríamos decir que es
la superficie libre del agua.
2.8.8 POTENCIA DE UNA CALDERA
La forma mas correcta de establecer la capacidad o potencia de
una caldera es referirse a su producción de vapor horaria, fijando
también la presión de dicho vapor, y su temperatura si es
sobrecalentado, y la temperatura del agua de alimentación.
III. SISTEMAS DE COMBUSTIÓN DEL CARBÓN PARA CALDERAS
3.1 SISTEMAS DE CARBÓN PULVERIZADO
La industria se ha esforzado continuamente para incrementar las
eficiencias de las plantas convencionales; por ejemplo, la
eficiencia térmica promedio de las centrales de generación en los
Estados Unidos se ha incrementado de un 5% en 1900 hasta casi un
35% actualmente. Las nuevas plantas de generación con sistemas de
pulverización convencionales alcanzan eficiencias superiores al
40%. Las plantas modernas avanzadas utilizan aleaciones de acero,
especialmente desarrolladas para alta resistencia que hacen posible
el uso de vapor a condiciones supercríticas y ultra-supercríticas
(presiones mayores a 248 bar y temperaturas mayores a 566° C) y
pueden alcanzar, dependiendo de la localización, cerca del 45% de
eficiencia. Esto conduce a una reducción en las emisiones de CO2,
por cuanto se usa menos combustible por unidad de electricidad
producida.
3.2 COMBUSTIÓN EN LECHO FLUIDIZADO
La combustión en lecho fluidizado es un método para quemar
carbón en un lecho de partículas calientes suspendidas en una
corriente de gas. A una tasa de flujo suficiente, el lecho actúa
como un fluido y permite una mezcla rápida de las partículas. El
carbón es adicionado al lecho y la mezcla continua estimula la
combustión completa y una menor temperatura que en los sistemas de
combustión con carbón pulverizado. Los lechos fluidizados tienen
las ventajas de producir menos NOx en el gas de salida, y debido a
las menores temperaturas de combustión producen menos SOx cuando se
adiciona continuamente caliza al carbón. Esta tecnología puede
también usar un rango más amplio de combustibles que las
tecnologías de combustibles pulverizados.
Los lechos fluidizados de presión atmosférica están
comercialmente disponibles en dos tipos: lecho burbujeante
(conocido como combustión en lecho fluidizado atmosférico - AFBCs)
y el lecho circulante (CFBCs). La eficiencia de la mayoría de los
lechos fluidizados usados para la generación de electricidad es
similar a la de las plantas convencionales de carbón pulverizado.
Sin embargo, el uso de esta tecnología ha sido estimulada debido a
su mejor desempeño ambiental. Los lechos fluidizados presurizados,
los cuales pueden alcanzar eficiencias del 45%, están en etapas
avanzadas de demostración. Como en las plantas de combustibles
pulverizados, la utilización de condiciones de vapor más altas
podría aumentar aún más la eficiencia.
3.3 CICLO COMBINADO CON GASIFICACIÓN INTEGRADA (IGCC)
Una alternativa a la combustión de carbón es la gasificación de
carbón. Cuando el carbón entra en contacto con vapor y oxígeno, se
producen reacciones termoquímicas que generan un gas combustible
compuesto principalmente por monóxido de carbono e hidrógeno, el
cual cuando es quemado puede ser usado para turbinas de gas. Los
sistemas de generación de electricidad con ciclos combinados de
gasificación integrada de carbón (IGCC) están actualmente en
desarrollo y demostración. Estos sistemas permiten incrementar las
eficiencias al usar el calor residual del gas para producir vapor
para mover una turbina de vapor adicional a la turbina de gas. Los
sistemas existentes en estado de demostración comercial buscan
alcanzar eficiencias del 42% y se espera, cuando sean plenamente
comerciales, que lleguen al 50%, con tecnologías y materiales
actualmente en desarrollo. Los sistemas IGCC producen
adicionalmente menos residuos sólidos y menos emisiones de SOx, NOx
y CO2. Hasta el 99% del azufre presente en el carbón puede ser
recuperado para venderse como azufre químicamente puro.
3.4 SISTEMAS HÍBRIDOS
Los ciclos combinados híbridos se encuentran actualmente en
desarrollo. Estos combinan las mejores características de las
tecnologías de gasificación y combustión, usando carbón en un
proceso de dos etapas. La primera etapa gasifica la mayoría del
carbón y mueve una turbina de gas, la segunda etapa quema el carbón
residual (carbonizado) para producir vapor. Con estos sistemas
puede ser posible alcanzar eficiencias mayores al 50%.
Adicionalmente a estas tecnologías limpias, un desarrollo que
puede ser aplicado a todos los sistemas de generación es la
combustión simultánea con carbón de biomasa o residuos. Esto
implica quemar o gasificar dichos materiales con carbón. Entre los
beneficios se incluyen la reducción en emisiones de CO2, SOx y NOx,
en relación con plantas que queman únicamente carbón y la
recuperación de energía útil de biomasa y residuos con alta
eficiencia, evitando construir plantas con este propósito. De aquí
que la industria de generación de electricidad con carbón puede
apoyar las industrias de energía renovable y manejo de
residuos.
2.4 Variables o Parámetros del problema
Variables de Entrada :
1. Carbón antracita
Variables de Respuesta:
1. Eficiencia de la caldera
2. Costo de generación de vapor.
3. Especificaciones, características técnicas de la caldera
4. Parámetros de eficiencia de la caldera
Parámetro o requisitos influyentes:
1. Composición Química del Carbón antracita
2. Condiciones de operación de la caldera.
3. Datos nominales de Diseño de la caldera
2.3.4 Marco Conceptual
1. PRINCIPALES PARAMETROS DE OPERACIÓN DE UNA CALDERA
1.1 PRESION NOMINAL Pn
Es la presión máxima de funcionamiento admisible del tambor
(domo) de la caldera, cuyos valores son estandarizados. Se mide en
la parte superior del domo de la caldera
1.2 PRESION DE REGIMEN, Pr
Es uno de los criterios de clasificación de la caldera, es menor
que la presión nominal en 5%, es la presión de la caldera durante
su explotación, medida antes del sobrecalentador de calor
1.3 PRESION DE UTILIZACION, Pu
Es la presión del vapor medida a la salida del
sobrecalentador
1.4 TEMPERATURA NOMINAL, Tn
Es la temperatura del vapor sobrecalentado medida, a flujo
nominal de la caldera, después del regulador de temperatura o, a
falta de este, a la salida del sobrecalentador
1.5 TEMPERATURA DEL AGUA DE ALIMENTACION, Ta
Son valores estandarizados y establecido en función de la
presión nominal, es la que se mide a la entrada al economizador, o
si falta este componente, a la entrada a la caldera
(vaporizador)
1.6 FLUJO NOMINAL, Dn
Es el flujo máximo continuo de vapor que debe asegurar la
caldera en funcionamiento permanente, con rendimiento menor que el
correspondiente al flujo normal.
1.7 FLUJO NORMAL, D
Es el flujo de vapor correspondiente al funcionamiento de la
caldera con rendimiento óptimo, D = 0.8 * Dn
1.8 FLUJO PICO DE VAPOR, Dp
Es el flujo de vapor más elevado que puede producir la caldera
en casos excepcionales para un período de funcionamiento de máximo
30 minutos, es igual a Dp = 1.10* Dn
2. CARACTERISTICAS TÉCNICAS DE LAS CALDERAS DE VAPOR
2.1 SUPERFICIE DE INTERCAMBIO DE CALOR, A (m2)
Es la superficie de la caldera bañada por una parte por los
gases de combustión, y por otra parte por el agua y el vapor, es
medida por la parte de los gases de combustión.
2.2 FLUJO ESPECIFICO DE VAPOR, ds
Representa el flujo de vapor producido por la superficie
unitaria de calentamiento:
ds = D/A (kg vapor / (m2 * h)) tiene valores comprendidos enytre
14 y 80 kg/(m2h)
2.3 RENDIMIENTO TERMICO DE LA CALDERA
Es el porcentaje de la energía contenida por el combustible
introducido en el hogar, que se reencuentra en el vapor producido
por la caldera, (t = D*(hv – ha) / (mcble * PCI cble)
hv y ha: entalpías específicas del vapor producido por la
caldera y del agua de alimentación (kJ/kg)
mcble = consumo horario de combustible, kg/h
PCI cble = Poder Calorífico Inferior del combustible, kJ/kg
2.4 CIFRA DE VAPORIZACION BRUTA, Xb
Definida por el flujo de vapor que se obtiene al quemar un flujo
unitario de combustible
Xb = D / mcble (kg vapor /kg cble)
2.6 Diseño De Ejecución
2.6.1 Objeto o material de Estudio
· Caldera pirotubular de generación de vapor empresa TRUPAL
S.A.
Datos Técnicos
Capacidad de generación de vapor13 (Ton/hr)
Superficie de calefacción
445(m2)
Presión de diseño
15(Kg/cm2)
Presión de trabajo
14(Kg/cm2)
Presión de prueba
22,5(Kg/cm2)
Combustible
Diesel
Consumo de combustible
3.680(gal/hr)
Eficiencia
65%
- Carbón antracita de la Región La Libertad
Datos Físico-Químicos
PCI
8.300 (Kcal/Kg)
Carbono
83(%)
materias volátiles
3(%)
Cenizas
10(%)
Humedad
3(%)
Fuente: Calderas de vapor, Marcelo Mesny, 2002
2.6.2 Metodología empleada en la selección de soluciones
problema.
- Estudio de las propiedades físico-químicas del carbón
antracita
- Estudio de los métodos de procesamiento de carbón
- Estudio de diseño de hogares para la combustión
- Estudio del procesote generación de vapor en calderas
- Análisis de costos de generación de vapor utilizando como
combustible diesel vs costos de generación de vapor utilizando como
combustible carbón antracita
2.6.3 Diseño de la información.
- Población: Calderas de generación vapor
- Muestra: Caldera de generación de vapor de la empresa TRUPAL
S.A.
- Tratamiento de Datos: Se aplicará un diseño de comparación
simple de los datos obtenidos utilizando como combustible carbón
antracita con los datos adquiridos utilizando como combustible
diesel.
2.6.4 Diseño de contrastación o validación
- Debido al procesamiento de la información, es
bibliográfica.
- Simulación
FIG. AGRUPAMIENTO DE LOS COMPONENTES DE LA CALDERA
CHIMENEA
CONDUCTOS DE AGUA Y VAPOR
EXHAUSTOR GASES RESIDUALES
VENTILADOR AIRE FRESCO
MAMPOSTERIA ROJA Y REFRACTARIA
ESTRUCTURA METALICA
PRECALENTADOR DE AIRE
SOBRECALENTADOR
ECONOMIZADOR
CALDERA DE VAPOR
HOGAR
VAPORIZADOR
EQUIPO
AUXILIAR
ACCESORIOS CONSTRUIDOS CON LA CALDERA
EQUIPO PRINCIPAL
INSTALACION DE GENERACION DE VAPOR
Variable
De
Respuesta
Variable
De
Entrada
Caldera de Generación de vapor
ESTADO INICIAL
Caldera de generación de vapor utilizando como combustible
petróleo
ESTUDIO Y ANALISIS DE CALDERAS DE GENERACION DE VAPOR
Parámetros influyentes
ESTADO FINAL
Caldera de generación de vapor utilizando como combustible
alternativo carbón antracita
- Parámetros de operación
- Método de utilización
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Augusto Palza BernuyFreddy Guerra Casana
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